Verwendung von kabelgebundenen Datenverbindungen zur Stromversorgung anspruchsvoller IoT-Geräte

Kabelgebundene Datenverbindungen wie USB und Ethernet können auch eine effektive und bequeme Lösung für die Stromversorgung der anspruchsvollsten IoT-Endpunkte von heute bieten.

IoT-Endpunkte sind in der Regel als extrem stromsparende Geräte gekennzeichnet, die auch klein sind, und sie können auch selbst mit Strom versorgt werden oder für viele Jahre mit einer Knopfzelle ausgelegt sein. In Wirklichkeit umfasst das IoT eine größere Vielfalt an Gerätetypen, darunter intelligente Sensoren, Datenprotokollierungsgeräte, intelligente Gebäudesteuerungen, Sicherheitsgeräte (wie Einbruchmelder und vernetzte Kameras) und viele andere Einzelhandels-, Unternehmens- und Infrastrukturanwendungen ( Abbildung 1).

Abbildung 1. IoT-Anwendungen werden erweitert und umfassen Geräte, die mehr benötigen, als kleinere Batterien leisten können. [Quelle:Diodes Incorporated]

Viele dieser Geräte haben einen erheblichen Energiebedarf; Bedürfnisse, die mit einer kleinen Batterie nicht befriedigt werden können. Sie verfügen möglicherweise über einen leistungsstarken eingebetteten Prozessor, um Daten lokal zu verarbeiten, um die Netzwerklatenz zu reduzieren, die Privatsphäre zu erhöhen oder einfach nur die Endkosten zu senken. Sie können ein mechanisches Subsystem wie eine Kamera mit Schwenk-Neige-Zoom-Funktion (PTZ) enthalten, die den Gesamtstrombedarf des Systems leicht um mehrere Watt erhöhen kann. Bei diesen Anwendungen kann eine kleine Batterie einfach nicht den Spitzenstrombedarf des Systems decken oder bietet nicht genügend Kapazität, um die gewünschte Laufzeit zu erreichen, was zu einem regelmäßigen Austausch führt.

Eine größere Batterie könnte in Betracht gezogen werden, aber dies würde auch die Gesamtgröße, das Gewicht und die Stückliste erhöhen. Die Stromversorgung über eine nahegelegene Wechselstromleitung, falls verfügbar, würde die Notwendigkeit einer Batterie überflüssig machen, aber dies führt zusammen mit der Wechselstrom-Gleichstrom-Stromumwandlung im Inneren des Geräts zu einem zusätzlichen Stromkabel, was zusätzliche Komplexität verursacht. Obwohl diese Designkomplexität mit einem externen Netzteil bewältigt werden kann, würde es die zusätzlichen Kosten nicht decken.

Wenn der Endpunkt über eine kabelgebundene USB- oder Ethernet-Verbindung verfügt, kann der Designer die jeweiligen Stromversorgungsfunktionen nutzen. Power over Ethernet (PoE) und USB-Stromversorgung verwenden dasselbe Kabel für Strom und Daten und vermeiden so die Nachteile, die sowohl mit Batterien als auch mit Wechselstrom verbunden sind. USB-Strom und PoE werden durch etablierte Standards abgedeckt und der Strom wird mit niedrigen Spannungen geliefert, wodurch die Geräte für den Endbenutzer eigensicher sind.

USB-Stromversorgungsspezifikationen

Ein gewöhnlicher USB 2.0-Anschluss, der zwei Datenleitungen (D+ und D-), eine 5V DC-Versorgung und Masse enthält, kann normalerweise bis zu 500mA liefern. Dies ist ausreichend, um einen Endpunkt mit 2,5 W oder weniger zu versorgen. Ein USB 3.0-Port erhöht dies und liefert bis zu 900 mA, während der neueste USB-Typ-C®-Port so konfiguriert werden kann, dass er bis zu 1,5 A oder 3,0 A bei 5 V liefert, wodurch die maximale Leistung auf 15 W erhöht wird.

USB Power Delivery (USB PD) ist ein separater Standard, der Datenleitungen im USB-Typ-C-Anschluss verwendet. Diese ermöglichen es konformen Geräten, mit dem Stromanbieter zu verhandeln und mitzuteilen, wie viel Strom sie benötigen. Dies kann 9 V oder 15 V (3 A) oder 20 V bei 5 A betragen, wodurch die maximale Leistung einer USB-Verbindung auf 100 W erhöht wird.

Power-over-Ethernet-Typen

Die vorhandene Ethernet-Infrastruktur kann einen IoT-Endpunkt unterstützen, der an jedem Punkt im Netzwerk angeschlossen ist und als PoE-betriebenes Gerät (PD) fungiert, während nur minimale neue Verkabelung erforderlich ist. Das Power Sourcing Equipment (PSE) kann ein Gerät wie ein PoE-Switch oder ein Hub sein, der dafür ausgelegt ist, Strom über eines oder mehrere der Datenpaare im Kabel zu liefern. Die im Ethernet-Standard angegebene maximale Datenübertragungsentfernung beträgt 100 Meter, aber ein PoE-Extender kann eingefügt werden, um längere Verbindungen zu ermöglichen.

PoE-Injektoren, die dafür ausgelegt sind, Kabel, die von einem Nicht-PoE-Switch kommen, mit Strom zu versorgen, sind ebenfalls erhältlich. Umgekehrt trennen PoE-Splitter den Strom von den Ethernet-Leitungen, um einen dedizierten Stromausgang für einen Nicht-PoE-Endpunkt bereitzustellen.

Derzeit sind mehrere Generationen von PoE-Geräten im Einsatz, die in Tabelle 1 zusammengefasst sind. Die erste Generation, Typ 1 PoE, definiert als Standard IEEE 802.3af, unterstützt ein Leistungsbudget von bis zu 15,4 W, bereitgestellt von der PSE. Der spätere 802.3at Typ-2-Standard, PoE+, unterstützt bis zu 30 W und ist abwärtskompatibel mit Typ-1-PDs.

Der neueste 802.3bt-Standard umfasst Geräte des Typs 3, PoE++ (oder UPoE) mit einem maximalen Leistungsbudget von 60 W sowie Geräte des Typs 4 mit 100 W. Während 802.3af und 802.3at maximal zwei Adernpaare in einem Cat 5/5e-Kabel verwenden, fordert 802.3bt ein Cat 6 (symmetrisches) Kabel und verwendet alle vier Adernpaare. Diese Anordnung reduziert die Verlustleistung des Kabels erheblich, sodass mehr Leistung das PD erreichen kann. Darüber hinaus wurde die minimal zulässige PD-Standby-Leistung gesenkt, wodurch die Unterstützung für energiesparende Designs verbessert wird.

Endpoint-Design für USB oder PoE

IEEE-Standard PoE-Typ Strom zum Port Maximaler Strom 802.3afTyp 115,4W350mA802.3atTyp 230W600mA802.3btTyp 360W600mA802.3btTyp 4100W960mA

Tabelle 1:PoE-Standards.

Ein herkömmlicher USB 2.0-, USB 3.2- oder USB-Typ-C-Port sorgt für eine relativ stabile 5V-DC-Versorgung, die direkt aus dedizierten Stromleitungen im Anschluss entnommen werden kann. Ein DC-DC-Wandler, wie der Abwärtswandler AP61100 5V, 1A von Diodes Incorporated, ist ein ideales Gerät, um diese Leistung für IoT-Endpunkte zu stabilisieren, die über eine USB-Versorgung betrieben werden.

In einem PoE-betriebenen System ist für jedes Kabelpaar ein Transformator sowie ein Brückengleichrichter, ein PD-Controller und ein DC-DC-Wandler erforderlich, um die Last zu versorgen. Geeignete DC-DC-Wandler für sekundäre PoE-DC-Bus-Anwendungen umfassen die synchronen Abwärtswandler AP62200 (18V/2A) und AP63200 (32V/2A) von Diodes. Diese verfügen über einen weiten Eingangsspannungsbereich und verfügen über High-Side- und Low-Side-MOSFETs mit niedrigem Einschaltwiderstand, um die Energieeffizienz zu maximieren. Constant On-Time (COT)-Steuerung in der AP62200-Serie und Peak-Current-Mode-Steuerung mit integrierter Kompensationsschleife in der AP63200-Serie bieten eine verbesserte Leistung bei gleichzeitiger Minimierung externer Komponenten.

Grundlegender Schutz

USB bietet ausgeklügelte Funktionen, die bei der Systemverwaltung helfen, z. B. um sicherzustellen, dass jedes Gerät nur so viel Strom verbraucht, wie es benötigt. Im Standard definierte Verhandlungsprotokolle und Leistungsprofile ermöglichen die Kommunikation zwischen Stromquellen und Endpunkten, um die verfügbare Leistung zu optimieren.

Andererseits findet kein Handshake oder Datenaustausch statt, bevor ein Gerät mit Strom versorgt wird. Dies trägt zwar zur Wirtschaftlichkeit und Plug-and-Play-Einfachheit von USB bei und macht eine sekundäre Stromquelle in dem mit Strom versorgten Gerät überflüssig, es kann jedoch das Risiko von Fehlern bestehen. Ein Beispiel ist, wenn ein Gerät versucht, zu viel Strom zu fordern oder einen Kurzschluss verursacht.

Designer können sich vor diesen Situationen schützen, indem sie einen Netzschalter verwenden, wie z. B. eine Diode AP22811, AP22804 oder AP22814. Diese Geräte implementieren Überstrom-, Kurzschluss- und Übertemperaturschutz mit automatischer Wiederherstellung. Ein Schutz gegen Rückstrom und Spannung ist ebenfalls integriert. Mit einem maximalen Nennstrom von 3A und einem minimalen Einschaltwiderstand von 50mΩ bieten sie einen robusten und effizienten Schutz für USB-Ports. Alternativ lässt sich beim AP22652 oder AP22653 die Strombegrenzung bis auf maximal 2,1A einstellen und hat einen maximalen Einschaltwiderstand von 65mΩ. Eine weitere Option ist der AP22615 (Abbildung 2) oder AP22815, die über einen Überspannungsschutz bis zu 28 V verfügen und sowohl feste als auch einstellbare Strombegrenzungsoptionen bieten.

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Abbildung 2. Der AP22615 bietet integrierten Schutz für USB-betriebene Geräte. [Quelle:Diodes Incorporated]

Die USB-Schalter bieten auch eine Softstartfunktion, die die Anstiegszeit der Ausgangsspannung steuert, um sowohl die Quelle als auch die Last zu schützen. Eine zusätzliche Sicherheitsfunktion schützt vor Stromstößen, um falsche Fehlerbedingungen zu minimieren.

PoE mit höherer Leistung

Bei IoT-Anwendungen, die hohe Leistung erfordern, wie z. B. Zugangskontroll- oder Videogeräte, müssen Designer die Energieeffizienz im Auge behalten, um optimale Leistung bei begrenztem Platz- und Kostenaufwand zu erzielen. Es ist wichtig, in jeder Phase des Stromversorgungssystems effiziente Geräte auszuwählen und möglichst hohe Dichte und Integration zu nutzen. Die Linearregler-Familie ZXTR2000 von Diodes (Abbildung 3) ist für 48-V-Gleichstromsysteme, einschließlich PoE-Anwendungen, ausgelegt. Diese Regler integrieren einen Transistor, eine Zener-Diode und einen Widerstand in einem einzigen Gehäuse, wodurch die Anzahl der Komponenten und der Platzbedarf auf der Platine reduziert werden.

Abbildung 3. Die XTR200-Familie bietet eine integrierte Lösung für Hochleistungs-PoE-Anwendungen. [Quelle:Diodes Incorporated]

Schlussfolgerung

Designer von IoT-Endpunkten können jetzt über Offline-, drahtlose Energieübertragung und Batteriestrom hinaus denken, um die Anforderungen anspruchsvoller Anwendungen zu erfüllen. Kabelgebundene Standards wie USB und PoE bieten bequeme und flexible Optionen, um Herausforderungen bei der Stromversorgung zu meistern, indem sie handelsübliche DC-DC-Wandler, Regler und Schutzgeräte nutzen.

>> Dieser Artikel wurde ursprünglich veröffentlicht am unsere Schwesterseite Power Electronics News.